高密度垂直轴风力涡轮机中的动态失速与虚拟机翼弯度

时间：2026年3月19日

来源：Renewable Energy

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实验研究表明，采用NACA 0021叶片、弦长半径比0.75（2叶）和0.5（3叶）的高实心比垂直轴风力涡轮机，在4-8.2m/s风速下，2叶配置平均扭矩和功率分别比3叶高32%和19%，但叶片阻力增加92%。动态失速延迟源于叶片攻角速率与弦长半径比的线性关系，而虚拟弯面效应通过压力分布计算验证。连接点位置（40%-60%弦长）显著影响扭矩生成特性，50%位置时阻力与侧向力最低。研究揭示了高实心比VAWT的动态失速与虚拟弯面协同作用机制，为优化设计提供实验依据。

作者：Yair Reingewirtz | David Greenblatt

以色列理工学院（Technion – Israel Institute of Technology）机械工程系

摘要

本研究通过实验研究了动态失速和虚拟弯度对2叶片和3叶片垂直轴风力涡轮机模型的影响，这些涡轮机采用了NACA 0021叶片轮廓，对应的弦长半径比分别为0.75和0.5，从而保持了恒定的 solidity（叶片实度）。实验在风速范围4.0 m/s至8.2 m/s内进行，同时测量了扭矩和叶片表面的压力分布。2叶片涡轮机的平均最大扭矩和功率比3叶片配置高出约32%，主要是由于叶片俯仰率的增加导致动态失速延迟，而叶片俯仰率与弦长半径比成正比。然而，2叶片配置的非稳态拖曳载荷高出92%。几乎所有正扭矩都产生在迎风象限，这与以往的研究结果一致。通过计算具有 conformal （符合流线型）弯度的翼型上的压力系数分布，并将其与相应攻角下的实际测量压力系数进行比较，研究了虚拟弯度的影响。支柱-叶片连接点（位于弦长的40%至60%之间）对扭矩产生的性质有显著影响，但对循环平均值没有影响。实验表明，支柱-叶片连接点位于弦长的50%时最为理想，因为它能够使涡轮机的非稳态力和横向力达到最低。

引言

基于升力的垂直轴风力涡轮机（VAWTs）由于其相对较低的噪音排放、对风向的不敏感性以及驱动机构位于地面附近等优点而具有优势[1]。尽管如此，大规模的VAWTs历史上一直存在能量效率低、无法自启动以及叶片连接和驱动机构部件易疲劳损坏等问题[2, 3, 4]。这些机械故障源于其固有的非稳态运行特性，即结构承受较大的循环载荷。此外，在接近最大功率时，叶片通常会经历动态失速现象，这会显著增加峰值载荷，从而可能影响涡轮机的完整性[5]。与大规模涡轮机相比，小型（<100 kW）高实度VAWTs（多叶片）能够克服自启动问题，适用于高扭矩应用[6]。高实度定义为叶片数量（span>

）与弦长半径比（span>

）的乘积。高实度还意味着较低的旋转速度（通常用叶片尖端速度比（span>

表示），从而产生较小的非稳态载荷、较低的噪音排放和更高的鸟类安全性。缺点是它们的能量效率相对较低，即功率系数很少超过30%[7]。必须考虑的两个重要因素是动态失速和流动曲率效应，也称为“虚拟弯度”，这些效应已针对特定类型的涡轮机进行了广泛研究[8]。涡轮机实验表明，动态失速是VAWT运行中的固有现象[8]，仅依靠

无法完全描述气流产生和涡流脱落过程[9]，而在轻微动态失速状态下运行可以在扭矩产生和非稳态载荷之间找到平衡[10]。虚拟弯度通常定义为弯度线相对于弦线的最大偏差与弦长的比值[11]，目前这一定义被广泛采用。实验和计算方法进一步研究了虚拟弯度的影响[12, 13]。对于特定类型涡轮机的实验研究相对较少，如[14]中所综述的那样，其中没有研究动态失速和虚拟弯度的影响。然而，已有研究表明大部分扭矩来源于动态失速的延迟[15]。无量纲俯仰率取决于特定参数，这会影响与动态失速相关的升力超调现象[16]。较大的

会导致叶片前后缘的流动条件差异增大[15]。对于给定的实度，叶片数量较少但弦长较大的设计既有优点也有缺点：优点包括较高的叶片雷诺数（通常能改善空气动力性能[17]）和相对较厚的叶片（从而提高结构刚性）；缺点是叶片数量较少会不利于自启动，并增加脉冲式非稳态载荷[5]。 VAWT的分析和设计基于叶片元素动量（BEM）方法[5, 18]、升力线自由涡尾（LLFVW）方法[19]或计算流体动力学（CFD）[20, 21]。对于前两种方法，需要准确估计叶片的升力系数、阻力系数以及整个循环过程中的俯仰力矩系数，以便准确预测性能和载荷。对于高实度涡轮机，必须准确考虑动态失速和虚拟弯度的综合效应。虽然动态失速和虚拟弯度的效应已有充分研究，但对于特定类型的涡轮机关注较少，因为它们被认为超出了传统的达里厄斯（Darrieus）涡轮机设计范围[5]。高实度导致的高湍流值与基于阻力的萨沃尼乌斯（Savonius）型涡轮机相当，但基于升力的涡轮机具有更高的功率系数且更易于扩展。目前，人们对高实度叶片的空气动力学了解不足，无法将其效应纳入分析和设计方法中。本研究旨在通过直接测量2叶片和3叶片高实度涡轮机表面的压力并进行相位平均处理，结合传统的涡轮机测力技术来填补这一空白。众所周知，压力系数分布能准确反映流动状态[22]，因此它们既可作为诊断工具，也可用于开发和改进分析和设计工具。与其他许多研究不同，本研究中涡轮机的实度保持不变，避免了同时调整叶片数量和实度这两个参数的问题。具体研究目标如下：(i) 研究动态失速在扭矩产生中的作用；(ii) 识别并量化常规运行过程中虚拟弯度的影响；(iii) 量化作用在涡轮机上的非稳态拖曳力和横向载荷。通过对非稳态空气动力学的更深入理解，可以开发新的方法和策略来提高涡轮机性能、减少非稳态载荷，并为设计提供准确的载荷数据。本文的其余部分结构如下：第2节回顾了高实度VAWT中虚拟弯度和动态失速的概念；第3节描述了实验设施和测试涡轮机；第4节展示了结果、分析和讨论；第5节总结了主要结论。